Android 上下位机开发：串口是什么，为什么android版本都比较低？粘包半包的原因以及处理思路，缓冲区处理，以及超时清空缓冲区....

前行的小黑炭2025-04-24 19:02

目录

  1. android设备
  2. 串口是什么
  3. 为什么Android设备的系统一般版本比较低？
  4. 停止位
  5. 粘包、半包如何处理
    1. 默认不处理
    2. 包头包尾标识
    3. 长度字段
    4. 固定长度
    5. 代码实战： 包头包尾标识+缓冲区管理+超时处理
  6. 流控是什么
  7. 校验和

前言

串口是什么？只知道拿来进行使用，只能使用别人封装好的，导致如果下位机更换了，就不知道如何去对接了，出现拆包，粘包，就不知道如何去使用了。所以这篇文章，就来认识一下串口究竟是什么。

一、android 设备

我们会发现，一些智能家居，门禁，人脸考勤，自动售卖机等等，都会使用android设备来实现控制硬件来动作。

这里我们所说的android设备，和我们所使用的手机，虽然都是android系统，但android设备的系统是经过定制化才得出来的。比如厂商主动开放Root权限，我们才能进行设备驱动，才能进行串口开发，进行数据的传输，从而实现软件控制硬件的联动，并且这些android设备，往往会提供更多的接口去和硬件通讯，比如串口，a和b，tx和rx。

二、串口是什么？

在Linux/Android系统中，​​一切皆文件​​！我们经常使用串口，就会看到有输入流，输出入流，其实，无论是硬盘里的文档、摄像头、还是串口，都被看作"文件"。

  • ​打开文件​ ：open("/dev/ttyS0") → 就像双击打开一个文档。
  • ​读取数据​ ：read() → 像从文档里读文字。
  • ​写入数据​ ：write() → 像往文档里打字。
  • ​关闭文件​ ：close() → 关闭文档。

Android基于Linux内核，所以串口也是/dev/tty*文件。但普通APP无法直接访问，需要以下方法：

  1. ​​Root权限​​：

    • 直接操作/dev/ttyS0，但会破坏系统安全。
bash 复制代码 
    adb shell "su -c 'chmod 666 /dev/ttyS0'"  # 强制修改文件权限

  1. ​​使用android设备，厂商开放接口​​：

    • 通过Android的​硬件抽象层（HAL）​ 或​JNI​调用底层驱动。
arduino 复制代码 
// Java通过JNI调用C代码操作串口
public native int openSerialPort(String path, int baudRate);

三、一般android设备的系统，不会使用太高的版本

一般android 设备，会使用android4,android5，或者android7。为什么呢？

一方面是因为智能家居设备通常采用 ​​低成本硬件方案​​（如全志A33、瑞芯微RK3308等低端芯片），其配置远低于主流手机。并且旧版本AOSP（Android开源项目）代码量更小。例如：

  • Android 4.4代码库约40GB，编译后系统镜像≤800MB
  • Android 11代码库超100GB，系统镜像≥2GB

并且，做android智能家居，追求的是稳定性 ，智能家居设备需 ​​7×24小时运行​​，旧版本Android经过多年工业场景验证：

  • ​Android 4.4​：2013年发布，已修复大量稳定性问题（如内存泄漏、死锁）。

所以，智能家居设备选择旧版Android的原因是：​​在有限的硬件资源下，通过成熟稳定的系统版本实现功能、成本与维护效率的最优平衡​​。

四、停止位

​​1. 停止位是什么？​ ​

停止位是数据包末尾的​​标志信号​​，表示当前数据包传输结束。

  • ​简单理解​ ：停止位就像说话时的​句号​，告诉对方"我说完了，该你回应了"。

​​2. 为什么需要停止位？​​

  • ​同步复位​：接收方检测到停止位后，复位内部计时器，准备接收下一个数据包。

3. 停止位的作用时机​​

  • ​数据包结束时生效​：发送方发送停止位，接收方检测到后确认当前数据包接收完成。

五、粘包、半包如何处理呢？

出现粘包的原因，有很多种情况：

  1. 发送方连续发送多个数据包，接收方处理速度不足，导致缓冲区堆积。
  2. 若协议未定义数据包长度，接收方无法判断何时结束。
  3. 读取数据的频率控制不了，也无法干涉，有几率出现拿不到完整的数据，可能是因为发送方阻塞，或者发一半的时候被取走了。

4种处理方式：

  1. 固定长度
  2. 包头包尾标识
  3. 长度字段
  4. 默认不处理

5.1 默认不处理【测试时使用】

一般生产环境中不使用这种模式。

建议使用场景：

1. 对数据完整性要求低的简单调试

2. 传输固定长度数据包的场景

3. 需快速验证基础通信功能的场景

java 复制代码 
 @Override
    public byte[] execute(InputStream is) {
        try {
            // 获取当前可读取的字节数（不保证后续实际读取数量）
            int available = is.available();
            
            if (available > 0) {
                // 创建与可用字节数相等的缓冲区
                byte[] buffer = new byte[available];
                
                // 尝试读取数据（实际读取数可能<=available）
                int size = is.read(buffer);
                
                if (size > 0) {
                    // 返回实际读取的字节（可能包含不完整数据包）
                    return buffer;
                }
            } else {
                // 无可用数据时暂停，避免CPU空转（可能引入延迟）
                SystemClock.sleep(50);
            }
            
        } catch (IOException e) {
            // 异常处理（建议记录日志而非仅打印堆栈）
            e.printStackTrace();
        }
        // 无数据或异常时返回null
        return null;
    }

5.2 包头包尾标识【使用较多】

适用场景：协议明确规定了数据包的开始和结束标记.

在数据包头部和尾部添加特殊标记（如0xAA 0x55）。

less 复制代码 
// 示例：数据包格式
[0xAA][0x55][数据][CRC校验][0x55][0xAA]

拿到数据以后，就解析头和尾，取出数据，如果尾没有，可以判断为是半包，需要先把前面的数据存储起来，继续从串口里面拿数据，进行拼接。

需要结合缓冲区。

5.3 长度字段【使用较多】

包头中明确声明数据长度，接收方按长度读取。

java 复制代码 
// 示例：包头包含长度信息
struct PacketHeader {
    uint8_t start_marker;  // 0xAA
    uint8_t length;        // 数据部分长度
    uint8_t data[256];     // 数据
    uint8_t crc;           // 校验码
};

有了长度字段以后，我们获取数据的时候，就会根据字段的长度来拿到指定的数据。如果长度不符号，那么数据就是出现了问题。

5.4 固定长度

需要和下位机，约定每个数据包固定长度（如64字节），不足部分填充空值。

arduino 复制代码 
// 示例：温度数据固定为8字节（含填充）
uint8_t packet[8] = {'T', '2', '5', 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};

数据固定长度，那么就更加好办了，需要严格按照这个长度要求，如果超出，那么就会出现问题。比较严格，不利于扩展。

5.5 下面我们使用头尾标识+缓冲区+超时写一个处理半包，粘包问题的代码。

  1. 这里我们主要看读线程，所以先粘贴一个不做任何处理粘包问题的代码。
java 复制代码 
    @Override
    public byte[] execute(InputStream is) {
        try {
            int available = is.available();
            if (available > 0) {
                byte[] buffer = new byte[available];
                int size = is.read(buffer);
                if (size > 0) {
                    return buffer;
                }
            } else {
                SystemClock.sleep(50);
            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
  1. 我们创建一个缓冲区出来，将收到的数据存储起来
java 复制代码 
private final ByteArrayOutputStream receiveBuffer = new ByteArrayOutputStream();

将收到的数据，放到缓冲区里面

java 复制代码 
    @Override
    public byte[] execute(InputStream is) {
        try {
            int available = is.available();
            if (available > 0) {
                byte[] buffer = new byte[available];
                int size = is.read(buffer);
                if (size > 0) {
                    synchronized (receiveBuffer) {
                        // 将新数据追加到缓冲区 追加到 receiveBuffer（ByteArrayOutputStream）的尾部。
                        receiveBuffer.write(received, 0, size);
                        // 尝试解析缓冲区
                        processBuffer();
                    }
                }
            } else {
                SystemClock.sleep(50);
            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

下面我们看看如何解析缓冲区的

java 复制代码 
// 解析缓冲区核心逻辑
private void processBuffer() {

    // 1. 将缓冲区数据转为字节数组
    byte[] bufferData = receiveBuffer.toByteArray();
    int bufferSize = bufferData.length;
    
    // 2. 查找起始符位置（如：0xAA 0xBB）
    int startIndex = findStartIndex(bufferData);
    if (startIndex == -1) {
     // 情况1：未找到起始符，清空无效数据（避免内存溢出）
        resetBuffer(bufferSize); 
        return;
    }
    
     // 3. 在起始符之后查找结束符位置（如：0x0D 0x0A）
    int endIndex = findEndIndex(bufferData, startIndex);
    if (endIndex == -1) {
         // 情况2：找到起始符但未找到结束符，保留起始符之后的未处理数据
        retainUnprocessedData(startIndex); 
        return;
    }
    
    // 4.提取完整数据帧（排除起始符和结束符）
    int dataStart = startIndex + START_FLAG.length;
    int dataEnd = endIndex - END_FLAG.length + 1;
    if (dataEnd >= dataStart) {
        byte[] packet = Arrays.copyOfRange(bufferData, dataStart, dataEnd);
        //将完整的数据报传递给业务层处理
        onPacketReceived(packet); 
    }
    
     // 5. 保留结束符之后的数据，用于下次处理【处理粘包】
    retainRemainingData(endIndex + 1, bufferSize);
}

逻辑步骤：

markdown 复制代码 
1. 将缓冲区数据转为字节数组
2. 查找起始符位置（如：0xAA 0xBB）
3. 在起始符之后查找结束符位置（如：0x0D 0x0A）
（1）找到起始符但未找到结束符，保留起始符之后的未处理数据【解决半包的问题】
4. 提取有效数据（排除起始符和结束符）
5. 保留结束符之后的数据，用于下次处理【解决粘包的问题】

retainRemainingData、retainUnprocessedData方法的代码

java 复制代码 
/**
 * 保留剩余数据（当完整包处理完成后）
 * @param endIndex 当前数据包结束位置
 * @param totalSize 缓冲区总大小
 */
private void retainRemainingData(int endIndex, int totalSize) {
    if (endIndex < totalSize) {
        byte[] remaining = Arrays.copyOfRange(
            receiveBuffer.toByteArray(), 
            endIndex, 
            totalSize
        );
        receiveBuffer.reset();
        receiveBuffer.write(remaining, 0, remaining.length);
    } else {
        receiveBuffer.reset();
    }
}


/**
 * 保留未处理数据（当找到起始符但未找到结束符时）
 * @param startIndex 起始符的起始位置
 */
private void retainUnprocessedData(int startIndex) {
    byte[] remaining = Arrays.copyOfRange(
        receiveBuffer.toByteArray(), 
        startIndex, 
        receiveBuffer.size()
    );
    receiveBuffer.reset();
    receiveBuffer.write(remaining, 0, remaining.length);
}

假如说，一直都没有尾呢？所以我们需要定期清理缓冲区的内容，避免出现内存问题。

java 复制代码 
private static final long TIMEOUT_MS = 1000; // 超时时间1秒
public void init() {
    timeoutTask = new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (receiveBuffer) {
                if (receiveBuffer.size() > 0) {
                    receiveBuffer.reset();
                }
            }
        }
    };
}

注意，得处理多线程的问题。

缓冲区是什么？

• 实时解析串口输入的字节流，动态分割为完整数据包。

• 解决粘包（多个包粘连）和半包（一个包分多次到达）问题。

六、流控

流控，简单理解，就是控制数据收发的频率。比如你处理数据不过来的时候，让其先不发。

  1. 硬件流控（可选）​​

    • 启用 RTS/CTS 硬件流控，防止缓冲区溢出导致丢数据。
    • 适合高速传输场景（如波特率 ≥ 115200）。

七、校验和

  • ​累加和校验​​（简单）：

    • 将数据所有字节相加，取低8位作为校验码。
    • 示例：数据 0x01 0x02 → 校验码 = 0x03。

  • ​​CRC 校验​​（更可靠）：

    • 通过复杂算法生成校验码（如 CRC16），可检测多位错误。
    • 工具：在线 CRC 计算工具生成代码。
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